Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
42 Среди исследуемых двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуальными веществами, топливо фтор + водород является наиболее эффективным из всех известных. Вместе с высоким удельным импульсом эти топливо имеет и сравнительно высокую плотность вследствие высокой плотности жидкого фтора и большого значения оптимального соотношения компонентов. Несмотря на высокую токсичность и агрессивность фтора и продуктов сгорания, освоение этого топлива рассматривается как дальнейшее развитие и улучшение уже освоенного топлива 02 + Н2. Комбинация F2,ж+N2Н4 и имеет сравнительно высокие значения удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связанные с высокой температурой горения. Специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения. Исследуемые высококипящие топлива сравнительно немногочисленны. Согласно публикуемым материалам наиболее эффективным по удельному импульсу является топливо на основе высококонцентрированной перекиси водорода с пентабораном. Пентаборан чрезвычайно токсичен и самовоспламеняется в воздухе. Однако найдены присадки, устраняющие эту опасность (температура самовоспламенения повышается на 100 К). К недостаткам рассматриваемого топлива относят высокую температуру плавления концентрированной перекиси водорода. В то же время стабильность Н202 достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы концентрированной Н202 разлагаются со скоростью, меньшей 0,6% в год. Топливо N204 + B5H9 имеет существенно меньшее теоретическое значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность, оба его компонента пригодны для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости. Среди выосокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Be, Li, A1 и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Кроме этого, указанные металлы имеют довольно высокую плотность. Согласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Be, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик топлив. Применение металлических добавок к топливу на основе жидкого водорода снижает плотность топлива, что связано с уменьшением количества окислителя в топливе и увеличением количества водорода при оптимальных соотношениях. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляется до достижения максимального удельного импульса. Аналогичные данные показывают возможности повышения характеристик некоторых высококипящих топлив путем использования металлических добавок. 43 Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако из-за более высокой плотности горючих по сравнению с Н2,ж, добавление металла, более тяжелого, чем оба компонента, повышает плотность топлива. Из гидридов металлов особый интерес представляет ВеН2 и А1Н3. Плотность этих веществ довольно высока и равна 0.63 и 1.48 г/см3 соответственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива Н202 - ВеН2 при оптимальном соотношении компонентов составляет 4800 м/с. т. е. близок к удельному импульсу топлива F2 + H2. Это наиболее высокая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами. Вследствие высокой теоретической эффективности металлосодержащих топлив оправданным становится поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры, от воздействия конденсированных частиц. Содержание конденсата (окислов алюминия, бериллия и др.) в продуктах сгорания при оптимальном соотношении компонентов составляет до 40 % по массе, рис.27.   Рис.27 Гелеобразные топлива исследуют в связи с решением задач создания хранимой однородной суспензии металлов в компонентах топлива, увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условиях несовместимости, улучшения эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способству-ет быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новых гелеобразных топлив и комбинирование современных окислителей с гелеобразными горючими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет- носителей. При получении гелеобразных топлив обычно используются химически активные или механические гелеобразователи. В качестве химически активных гслеобразователей применяют высшие жирные кислоты и их соли (мыла), высокомолекулярные соединения (полимеры), тяжелые углеводороды. Механическими гелеобразователями могут служить тонкоизмельченные металлы (разме-ром 0,8 ... 3 мкм) и их соединения, силикагель, сажа, глина и т.д. Используя с загущенным органическими горючими наполнители, представляющие собой порошкообразный окислитель, и высокоэнергетические добавки, получают гелеобразные монотоплива. В загущенном состоянии монотоплива похожи на твердые ракетные топлива, обладая, например, способностью выдерживать большие перегрузки. В отличие от твердых ракетных топлив гелеобразные монотоплива могут прокачиваться по трубопроводам; их приготовление можно организовать непосредственно на стартовой позиции, отработка рецептур таких топлив происходит более быстрыми темпами и имеет более низкую стоимость, а возможности варьирования рецептуры гелеобразных составов гораздо шире, так как их не нужно отверждать. Энергетические характеристики монотоплив весьма близки к характеристикам средних по удельному импульсу жидких ракетных топлив. Псевдожидкое топливо (или его компонент) состоит из порошкообразных веществ, которые можно флюидизировать газом по методу кипящего слоя и подавать в камеру сгорания ракетного двигателя аналогично жидкому компоненту. При прохождении с некоторой скоростью потока газа, т. е. ожи-жающего агента, через слой сыпучего, зернистого вещества частицы этого вещества начинают интенсивно перемещаться относительно друг друга, напоминая при этом кипящую жидкость и приобретая некоторые ее свойства. Переход неподвижного слоя в кипящий происходит при такой скорости газа, когда гидродинамическое давление потока уравновешивает силы, действующие на частицу: инерционные, силы тяжести и др. В качестве псевдоожижаемого окислителя рассматриваются порошкообразные перхлорат аммония, нитрат аммония, гексанитроэтан и др., а в качестве горючего—алюминий, бор, полиэтилен, гидриды алюминия, бериллия, циркония и др. Сжижающим агентом может быть нейтральный газообразный азот, а также активные сжижающие газы, например, для окислителя — кислород, а для горючего — водород. В настоящее время работы в области псевдожидких и гелеобразных топлив находятся в стадии экспериментальных исследований и стендовых испытаний опытных образцов. 6. Основные конструктивные элементы камер ЖРД. Топливные баки 6.1. Особенности условий работы и конструкции камеры ЖРД Камера ЖРД—важнейший агрегат ЖРД, работающий в весьма трудных условиях. Сгорание топлива происходит в малом объеме при высоких зна- чениях температуры и давления. С целью повышения скорости сгорания поступающие жидкие компоненты должны быть очень мелко распылены и равномерно перемешаны. Распыление осуществляется форсуночной головкой (ФГ), от хорошей работы которой зависит эффективность работы камеры ЖРД. Смешивание газообразных компонентов осуществляется смесительной головкой. Внутренние стенки камеры сгорания омываются газами, температура которых значительно превышает температуру плавления материала стенки. Поэтому стенки должны интенсивно охлаждаться. Кроме того, стенки камеры ЖРД испытывают высокое давление газов. Так как вес камеры сгорания должен быть минимальным, ее выполняют из высокопрочных тонколистовых материалов. Камера ЖРД, рис.28, состоит из следующих основных, технологических узлов: форсуночной или смесительной головки (СГ); камеры сгорания или средней части; охлаждаемой сопловой части; неохлаждаемой сопловой части — насадка.  Рис. 28 Разбивка камеры ЖРД на технологические узлы Эти узлы камеры ЖРД соединяются сваркой или с помощью болтов. Средняя часть и сопловая охлаждаемая часть часто выполняются за одно целое. Форсуночная головка схематически изображена на рис.2. Она состоит из огневого днища 1, среднего днища 2, верхнего днища 3, шаровой опоры 4, патрубков подвода окислителя 5, коллектора подвода горючего 6. форсунок окислите- 46 ля 8. форсунок горючего 7. Количество форсунок определяется размером камеры ЖРД и требованиями к распылу компонентов.  Рис. 29 Схема форсуночной головки: А — полость окислителя; Б— полость горючего; 1—огневое днище; 2—среднее днище; 3—верхнее днище; 4— шаровая опора; 5—патрубок; 6—коллектор; 7— форсунка горючего; 8—форсунка окислителя Некоторые камеры ЖРД вместо центральной шаровой опоры 4 имеют специальные цапфы, приваренные к рубашке средней части камеры примерно в центре тяжести (например, камеры ЖРД «Гамма» для ракеты «Блек Найт»). Узел — камеры сгорания и охлаждаемая часть сопла - схематически изображен на рис.3. Он состоит из внутренней (огневой) оболочки или стенки 1, внешней оболочки или рубашки 2, цапф 3, коллектора 4, патрубков с фланцами 5. Стенка 1 соприкасается с газами при высокой температуре и должна нтенсивно охлаждаться. С этой целью по каналам межрубашечного пространства протекает охлаждающая жидкость — один из компонентов топлива, чаще всего горючее. Каналы для жидкости могут быть образованы несколькими способами: а) установкой гофрированных проставок между рубашкой и стенкой (рис.30, а); 6) соединением пайкой П-образных профилей с последующей проточкой по поверхности прилегания рубашки (рис.30,6); в) соединением пайкой профилированных трубок (рис.30, в); г) фрезерованием, травлением или выдавливанием продольных каналов в стенке (рис.30,г).  Рис 30 Конструкция средней части камеры ЖРД: 1 и 2 — внутренняя и внешняя стенки камеры ЖРД, соответственно; 3— цапфа; 4— коллектор; 5—патрубок с фланцем Наибольшее распространение в практике фирм США, Англии и Франции получил метод изготовления стенок из профилированных стальных или алюминиевых трубок (см. рис.30, в), хотя применяется и метод, указанный на рис.30, б. Рубашка 2 изготовляется из высокопрочных материалов — стали, титана. Она может быть выполнена сплошной по всему контуру стенки или в виде отдельных колец, что определяется расчетом на прочность камеры ЖРД при условии минимального веса конструкции. В некоторых конструкциях рубашка изготовляется намоткой стальной ленты или приволоки с последующей пайкой. Применяются также рубашки из стекловолокна, пропитанного пластмассой. Цапфы 3 воспринимают силу тяги камеры и привариваются к усиленной части рубашки камеры ЖРД. Чтобы избежать больших деформаций гибких трубопроводов при поворотах качающихся камер, горючее и окислитель можно подводить через осевые сверления в цапфах. Коллектор 4 служит для равномерного распределения охлаждающей жидкости по каналам стенки камеры. Он выполняется из листового металла и приваривается или припаивается к рубашке. Жидкость подводится через один, два или более патрубков с приваренными фланцами 5 для соединения с трубопроводами, идущими от ТНА. Неохлаждаемая часть сопла испытывает сравнительно небольшое внутреннее давление и изготовляется из тонколистового материала (стали, тагана). Для защиты от высокой температуры применяются различные по-крытия, наносимые электроосаждением, плазменным распылением, диффузионным и другими способами. 6.2. Особенности проведения прочностного расчёта камер ЖРД 1) Камера двигателя является, как правило, двустенной, скрепленной связями, оболочкой, находящейся под силовым и температурным воздействи ем. При работе ЖРД температуры наружной и внутренней оболочек различны и переменны как вдоль оболочки, так и по ее толщине. В наиболее тяжелых температурных условиях работает внутренняя оболочка. Средняя температура ее много выше, чем у наружной оболочки и, кроме того, значительно изменяется температура по толщине ее (тем больше, чем больше тепловой поток через стенку и чем меньше теплопроводность стенки). При таких температурных условиях работы в стенках возникают большие температурные на-пряжения и ухудшаются механические свойства материала. Ввиду этого при прочностных расчетах камеры ЖРД необходимо учитывать температуру и неравномерность ее по толщине внутренней оболочки, а также изменение механических свойств материала при повышении температуры. 2) Разность между давлением в охлаждающем тракте и статистическим давлением в камере, а также температура внутренней стенки переменны по длине камеры двигателя. Вследствие этого прочностные расчеты внутренней оболочки необходимо проводить минимум для двух сечений: сечения наибольшей разности давлений и сечения наибольшей температуры внутренней оболочки. 3) Проведение расчетов камеры двигателя на прочность по допускае мым напряжениям не всегда приемлемо. Дело в том, что одни только темпера турные напряжения в стенках камеры могут значительно превосходить предел упругости, так что материал камеры двигателя работает в области пластиче ских деформаций при одновременном силовом и температурном воздействии. Поэтому основным критерием пригодности камеры ЖРД целесообразно считать не значения возникающих напряжений, а величину деформаций как оболочки в целом, так и ее элементов. 4) Прочностные расчеты камеры ЖРД имеют характер проверочного расчета. Все основные размеры оболочек, способы скреплений, а также нагрузки на оболочку и температуры ее определяются в первую очередь условиями жности системы охлаждения и обеспечения заданной тяги двигателя и лишь затем - условиями прочности. Если какие-либо элементы камеры не удовлетворяют условиям прочности, мы не можем изменять их размеры без введения существенных поправок в расчет охлаждения или тепловой расчет камеры. Так, например, мы не можем увеличить толщину стенки внутренней оболочки, так как при этом резко изменятся условия охлаждения. 6.3. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять определенным требованиям, обусловленным особенностями ее работы и эксплуатации. Основными особенностями камеры ЖРД отличающими ее от камер сгорания других тепловых двигателей, являются:
Главной задачей при проектировании и конструировании камеры двигателя является обеспечение возможно большего удельного импульса при минимальном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответствующим уменьшением веса, вполне допустимо некоторое снижение удельного импульса. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект и связано иногда со значительным изменением конструкции двигателя, но тем не менее им не следует пренебрегать. Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во многом зависят от вида применяемых компонентов топлива. При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться обеспечить:
Камеры ЖРД существующих двигателей, созданные на основании экспериментальных исследований, большинству этих требований в значительной мере удовлетворяют. Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величиной развиваемого удельного импульса при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельного импульса двигателя является наиболее существенным параметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при заданном совершенстве его конструктивного выполнения. Основным фактором, влияющим на величину удельного импульса камеры двигателя, является качество организации и осуществления в ней рабочего процесса. Изучение процессов сгорания топлива в камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и совершенствования представляет весьма обширную область экспериментальных и теоретических исследований. Для совершенствования конструкции камеры двигателя необходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней заданных топлив при различных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от конструкций распыляющего устройства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации камеры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя. 6.4. Выбор материала для камеры ЖРД Материал камеры двигателя должен быть по возможности более прочным, легким и обладать хорошими пластическими свойствами. Для материала внутренней оболочки желательно сочетание высокой теплопроводности и удовлетворительных прочностных свойств при высоких температурах, однако, как правило, жаропрочные сплавы имеют плохую теплопроводность. Для внешней оболочки теплопроводность большого значения не имеет и поэтому МПЧ главным требованием к материалу является его высокая прочность и возможно меньшая плотность. В некоторых случаях, при высокотеплопроводных скреплениях, температура наружной оболочки может достигать 300-400°С и тогда материал должен обладать достаточно хорошей жаропрочностью. Кроме того, в зависимости от типа конструкции и применяемых ком-понентов, материал должен удовлетворять условиям свариваемости, кислото-стойкости и не являться катализатором. Основные рекомендации по выбору конструкционных материалов при производстве камер ЖРД представлены ниже:
Кроме того, сталь 1X21Н5Т хорошо сваривается с бронзой, и поэтому может использоваться в качестве промежуточного кольца при сварке внутренних оболочек из стали 12Х18Н1ОТ и бронзы типа БрХ-08. Сталь 1Х21Н5Т рекомендуется также для изготовления наружных оболочек расширяющихся частей сопел. Эта сталь при температуре пайки обладает высокой пластичностью, что обеспечивает хороший контакт со связями и высокое качество пайки узлов сложной формы.
6.5. Формы камер ЖРД Камера двигателя является главным агрегатом ракетной двигательной установки. Различают изобарические и скоростные камеры сгорания. Камеры сгорания с приблизительно постоянным по длине давлением иногда называются изобарическими камерами. К ним следует относить камеры, у которых FK/F*>3 Отношение FK/F*, называют обычно безразмерной площадью камеры сгорания. Если значение FK/F*< 3, то при сгорании в камере скорость потока значительно возрастает по её длине, в то время как давление, согласно уравнению закона сохранения энергии, падает. Такие камеры сгорания уже нельзя относить к изобарическим; их называют скоростными. В пределе FK/F*=1 камеры двигателя носят название полутеплового сопла. Известны следующие основные формы камер сгорания ЖРД рис.31. 1.Цилиндрическая. 2.Шарообразная (или грушевидная). 3.Коническая. 4.Кольцевая (торовая, цилиндрическая). Рассмотрим особенности каждой из этих форм. В настоящее время наиболее распространены цилиндрические камеры сгорания. Они применяются для камер двигателей всех тяг. Основным достоинством цилиндрической камеры сгорания по сравнению с камерами сгорания других форм является простота ее конструкции и изготовления а, следовательно, малая стоимость. Кроме того, она имеет меньший габаритный диаметр.  |